Interacties tussen licht en materie zijn een fundamentele eenheid van de moderne natuurkunde, maar recentelijk zijn onderzoekers begonnen verder te kijken dan de standaard interacties in het leerboek.

Alexandra Boltasseva is een professor in elektrische en computertechniek aan de Purdue University. Voor jaren, ze heeft gewerkt met optische metamaterialen (kunstmatig vervaardigde materialen die nanostructuren bevatten die ze unieke visuele eigenschappen geven) om nanopincet te maken, meta-oppervlakken en andere kleine objecten. Nutsvoorzieningen, ze verkent een geheel nieuw hoofdstuk van de natuurkunde.

"Als we naar een leerboek kijken en er is een hoofdstuk over hoe licht interageert met materie, het zou gaan van hoe licht interageert met transparante materialen tot hoe licht interageert met reflecterende materialen, "Zei Boltasseva. "Wat we gaan bestuderen, is dit gebied tussen de twee typen."

Wanneer licht zich voortplant door transparante materialen, het licht verandert niet veel, wat betekent dat het een positieve diëlektrische permittiviteit heeft (ook wel epsilon genoemd). Het tegenovergestelde geldt voor reflecterende materialen, die licht uitstoten en een negatieve permittiviteit hebben (negatieve epsilon). Tussen positief en negatief is een exotisch, grotendeels onontgonnen gebied aangeduid als Epsilon-Near-Zero (ENZ).

Wanneer licht een medium binnenkomt waarvan de permittiviteit nul is, waarnemers zullen hetzelfde licht naar binnen en naar buiten zien gaan. Het is bijna alsof het licht van de ene naar de andere kant tunnelt zonder zijn eigenschappen te veranderen - een onwaarschijnlijk fenomeen in de natuurkunde.

"Omdat nul zo anders is dan plus en min één, we verwachten dat daar veel interessante dingen gebeuren, " zei Boltasseva. "Het brengt volledig nieuwsfysica en inzichten in het spel."

Conventionele ENZ-media, zoals metaal, hebben natuurlijk voorkomende nuldoorgangen maar ervaren op dat punt vaak materiaalverlies (lichtabsorptie). Het zal moeilijk zijn om een ​​materiaal te vinden dat een nuldoorgang heeft maar geen lichtabsorptie toestaat, zei Boltasseva.

Het onderzoeksteam is van plan om te experimenteren met zowel natuurlijke materialen als nieuwe metamaterialen, hoewel natuurlijke materialen meer kans hebben op absorptie. Het toevoegen van een lichtversterkend medium kan absorptie tegengaan, maar het zou een uitdaging zijn. De groep is van mening dat transparante geleidende oxiden en overgangsmetaalnitrides (nieuw ontwikkelde materialen met een natuurlijk voorkomend ENZ-punt in het zichtbare en nabij-infrarode golflengtebereik, evenals aanpasbare optische eigenschappen) kunnen dit probleem helpen oplossen.

Hoewel Boltasseva gelooft dat de grootste impact van dit project zal zijn op de fundamentele wetenschap, ze denkt dat het ook zal leiden tot nieuwe apparaattoepassingen.

"Ultrasnelle modulatie is een van de grote problemen in de optica. Er is altijd een afweging. Ofwel verander je dingen heel langzaam met een grote amplitude, of zeer snel maar in een klein bereik. Ik hoop dat we deze cirkel kunnen doorbreken, " zei ze. "Dit zou kunnen leiden tot een verscheidenheid aan ultrasnelle optische apparaten voor communicatie- en informatietechnologieën."